二级倒立摆的组成及原理毕业设计第一章 倒立摆控制系统组成§1.1 倒立摆本体一. 倒立摆本体主要由以下几个部分组成：● 基座● 直流伺服电机● 同步带● 带轮● 滑竿● 摆杆● 角编码器 ● 限位开关二. 电控箱内安装有如下主要部件：二级级摆二角编码器摆杆一级编码器一角小车基坐同步带滑杆电动机带轮限位开关编码器三角●直流伺服驱动器●I/O接口板●开关电源●开关、指示灯等电气元件三. 控制平台主要由以下部分组成：●与IBM PC/AT机兼容的PC机（公司不提供），带PCI/ISA总线插槽●GT400-SV-PCI、GM400运动控制卡●GT400-SV-PCI、GM400运动控制卡用户接口软件●演示实验软件§1.2 GT-400-SV四轴运动控制器简介一.引言GT-400-SV四轴运动控制器的核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成。

它适用于广泛的应用领域，包括机器人、数控机床、木工机械、印刷机械、装配线、电子加工设备等。

GT-400-SV运动控制器以IBM-PC为主机，提供标准的ISA总线和PCI总线。

同时提供RS232串行通讯和PC104通讯接口，方便用户配置系统硬件。

该运动控制器提供C语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些控制函数灵活地与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等部分集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统,以适应各种应用对象的要求。

使用该运动控制器，要求使用者必须具有C语言编程（在Windows环境下使用动态连接库）的经验。

GT-400-SV将四轴电机控制集成在同一运动控制器上，具有功能强、性能高、价格低、使用方便的特点，适用于模拟量控制及脉冲控制的交流或直流伺服电机、步进电机等多种控制场合。

采用该运动控制器进行控制时，用IBMPC-AT计算机图 1.3 采用四轴运动控制器组成的控制系统框图户需要一台IBM-PC或其兼容机、一套运动控制器及配套的连接电缆和接口端子板、电机及驱动器和外部接口电源等硬件。

这些部件之间的典型连接如图1.3所示。

PC机通过主机通讯接口与GT-400-SV运动控制器交换信息。

包括向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数。

运动控制器完成实时轨迹规划、位置闭环伺服控制、主机命令处理和控制器I/O管理。

运动控制器通过编码器接口，获得运动位置反馈信息，通过四路模拟电压输出（或脉冲输出）接口控制伺服电机实现主机要求的运动。

运动控制器还提供八路限位开关（每轴二路）输入，四路原点开关（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器报警信号（每轴一路）输入，四路伺服电机驱动器使能信号（每轴一路）输出，四路伺服电机驱动器复位信号（每轴一路）输出以及十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口。

实现复杂灵活的运动控制。

3.2 GT-400-SV技术指标GT-400-SV四轴运动控制器提供的主要功能有：控制功能●看门狗实时监测DSP的工作状态。

●基于坐标系编程的连续轨迹控制，可实现空间直线、圆弧插补运动。

●提供程序缓冲区，实现运动轨迹预处理，以获得高质量的运动控制，并降低主机通讯实时性的要求。

●面向各控制轴实现点到点运动控制，具有可编程S-曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿轮运动控制方式。

●使用32位(二进制)有效数字计算，实现高精度的轨迹控制。

●伺服控制采用可编程数字PID+速度前馈+加速度前馈滤波方式。

●可编程设置伺服周期。

四轴伺服（插补）周期为162微秒。

●硬件捕获编码器Index信号和系统原点Home信号；保证控制系统具有较高的重复定位精度。

●可编程设置跟随误差极限、加速度极限、控制输出极限等参数，实现安全可靠的控制。

输入/输出接口●4路（每轴一路）四倍频增量光电编码器反馈信号接口，输入信号频率最高可达8MHz。

●2路四倍频增量光电编码器辅助反馈信号接口（可选），适应用户特殊功能要求，输入信号频率最高可达8MHz。

●4路控制输出信号，提供16位D/A模拟电压控制信号（±10V）用于伺服电机控制；或最高频率 1MHz脉冲控制信号，用于步进电机及脉冲方式控制的伺服电机控制（可选）。

两种控制信号能够自由组合。

●8路光电隔离限位开关信号输入接口。

●4路光电隔离原点信号输入接口。

●4路光电隔离驱动器报警信号输入接口。

●4路光电隔离驱动器使能信号输出接口。

●4路光电隔离驱动器复位信号输出接口。

●16路光电隔离通用数字输入信号接口。

●16路光电隔离通用数字输出信号接口。

●1路编码器锁存输入信号接口，同时锁存所有的编码器信号（占用1路通用数字输入信号接口。

可选功能）。

总线接口●标准的PCI总线。

●标准的RS232串行通讯总线。

系统软件●Windows环境GT-400-SV 演示软件。

●用户接口函数库。

（●DOS环境C语言程序示例。

●Windows 98/2000/NT设备驱动程序。

●面向数控系统的扩展函数库（可选）。

两级倒立摆系统GIP-200-L的组成框图如下图所示。

图1.4 两级倒立摆系统GIP-200-L的组成框图图1.4两级倒立摆系统GIP-200-L的组成框图系统包括计算机、运动控制卡、伺服机构、倒立摆本体和光电码盘几大部分，组成了一个闭环系统。

光电码盘1将小车的位移、速度信号反馈给伺服驱动器和运动控制卡，下面一级摆杆（和小车相连）的角度、角速度信号由光电码盘2反馈回控制卡和伺服驱动器，上面一级摆杆的角度和角速度信号则由光电码盘3反馈。

计算机从运动控制卡中读取实时数据，确定控制决策（小车向哪个方向移动、移动速度、加速度等），并由运动控制卡来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带动小车运动，保持两节摆杆的平衡。

第二章 MATLAB 工具简介§2.1 MATLAB 系统MATLAB 的生产和数学计算是紧密联系在一起70年代后期，美国新墨西哥州大学计算机系主任Clever Molar博士，开发了MATLAB（即矩阵实验室），在以后的几年里，MATLAB 在多所大学里被作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。

80年代中期，Clever Molar 和John Little采用C语言重新编写了MATLAB的核心，合作开发了MATLAB第二代专业版，大大提高了它的运算效率。

1984年，他们成立了Math works 公司，并将MATLAB正式推向商业市场。

Math Works 公司刚刚正式推出MATLAB时，MATLAB数学处理的内核是针对数值计算编写的，对处理大批数据效率很高。

而另一些数学软件，例如Mathematics，则以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解。

而处理大量数据则效率不高。

Math works公司顺应多功能需求的潮流，经过几十年的研究，不断完善和图示能力的基础上，又率先开发了符号计算、文字处理、可视化建模和实施控制能力，目前，MATLAB 已经占据了数值型软件市场的主导地位。

§2.2 MATLAB系统功能及特点MATLAB 由主包和功能各异的工具箱组成，其最基本的数据结构是矩阵，也就是说它的操作对象是依矩阵为单位的，随着MAATLAB 不断的发展和各种工具箱的不断开发，它已经成为一种功能强大的综合性的实时工程计算软件，广泛应用于各种领域。

MATLAB 系统共有5个主要部分构成:1)MATLAB 语言；2)MATLAB 工作环境；3)MATLAB 数学函数库；4)MATLAB 图形处理系统；5)MATLAB 应用程序接口。

1.MATLAB 语言MATLAB 语言是一种面向对象的高级语言，正如前面所述，它以矩阵作为最基本的数据结构。

MATLAB 在工程计算方面具有其他高级语言无法比拟的优越性，它即计算、数据可视化、程序设计于一体，并能将数学问题和解决方案以用户熟悉的数学符号表示出来，因而被称为“科学便信使”的科学工程计算语言。

2.MATYLAB 工作环境MATLAB工作环境是一个集成的工作空间，它给用户提供了管理变量和输入输出数据的功能，并提供了用于管理调试M文件的工具。

它主要包括以下部分：1)命令窗口；2)M文件编辑调试器；3)MATLAB 工作空间；4)在线帮助文档；3.MATLAB 数学函数库MATLAB 数学函数库中包括了大量数学函数，即有求和、取正选、指数运算、等简单函数，也包括了矩阵转置、博里叶变换、矩阵分解、求解线性方程组等复杂函数。

MATLAB的核心中，因此运行的效率很高；第二重是M文件提供外部函数，它们极大地扩展了MATLAB的功能，并使MATLAB具有了很高的可扩充性，使MATLAB能够应用于越来越多的科学领域。

4.MATLAB 图形处理系统MATLAB 具有强大的图形处理功能，用于使科学计算的结果可视化。

MATLAB 图形处理系统的功能主要包括:1)二维图形的绘制和处理；2)三维图形的绘制和处理；3)图形用户界面的定制。

5.MATLAB应用程序接口MATLAB 应用程序接口（API）是一个让MATLAB语言同C、FORTRAN等其他高级语言进行交互的函数库，该函数库的函数通过动态连接来读写MATLAB 文件。

MATLAB应用程序接口的主要功能如下:1)在MATLAB中输入和输出数据；2)在MATLAB中调用C和FORTRAN程序；3)在MATLAB和其它应用程序中建立客户机服务器的关系。

经过多年的完善和发展，MATLAB除了原有的数值计算功能之外，还具备了越来越多的其它功能：A.数值计算功能MATLAB具有出色的数值计算能力，它的计算速度快、精度高、收敛性好、函数库功能强大，这是使它优于其它数值计算软件的决定因素之一。

B.符号计算功能在解决数学问题的过程中，用户往往要进行大量的符号计算和推导，为了增强MATLAB的符号计算功能，1993年Math works公司向加拿大滑铁卢大学购买了具有强大计算能力的数学软件MAPLE的使用权，并以MAPLE的内核作为符号计算的引擎。

C.数学分析和可视化功能在科学计算中科学计算中，科学技术人员经常会对大量的原始数据而无从下手。

但如果能将这些数据以图形的形式显示出来，则往往能揭示其本质的内在关系，正是基于这种考虑，MATLAB实现了强大的数据分析和可视化功能。

4．Simulink动态仿真功能Simulik时MATLAB为模拟动态系统而提供的一个面向用户的交互式程序，它采用鼠标驱动方式，允许用户在屏幕上绘制框图，模拟系统并能动态地控制系统。

它还提供了两个应用程序扩展集，分别是Simulink EXTESONS 和BLOCKSETS。

Simulink EXTENSIONS是支持在Simulink环境中进行系统开发的一些可选择的工具类应用程序，包括以下几个工具：1)Stateflow;2)Simulink Accelerator;3)Real-Time Workshop。